金属遗传学课件

铸造金属遗传学山东大学边秀房一、铸造过程中遗传现象的基本概念1．1金属遗传现象研究发展过程早在20年代，法国学者Levi首次提出了金属的遗传性问题，指出：在化学成分及铸造条件完全相同的情况厂，铸铁的机械性能有很大差异，这种现象只能用铸铁中存在遗传性这一概念来解释。当时他提出这样一种假设，即原料生铁中粗大的片状石墨在某种条件下保留至铁液中，没有足够的时间充分溶解，长时间维持其凝固状态，最后仍以大的颗粒存在于已凝固的固体中。而细小的石墨虽易于溶解．但即使重复熔炼，仍以细小颗粒存在。30年代初，随着机械制造行业的发展，前苏联的研究者们对金属的遗传性研究倍感兴趣。60年代，许多前苏联学者开始了有色合金组织遗传性方面的研究。70年代，法国冶金学家Margerie指出：将铸件的某些性能与加入熔炉内的原材料联系起来，这就是所谓的”遗传效应”，并发现铸铁铸造生产中的某些缺陷，如白口、热裂与收缩倾向、气孔等都具有遗传性。1．2共晶铸铁的液体结构对固体组织的遗传作用近半个世纪以来，冶金工作者注意到只有将铸铁过热到一定温度才能保证铸件的质量，但对具体的过热温度及其对铸件内在质量的影响机制一直是一个学术争论焦点。E.E.T系统研究了共晶成分铸铁的液体结构、物理性质及其与固体组织、实用性能之间的联系，揭示了铸铁遗传性的本质。在t1温度以下，铸铁熔体由微观多相结构组成。在t1到t2温度范围内，熔体的表面张力随温度的提高而增大，说明在该阶段熔体微观不均匀性结构的存在和均匀性程度的不断提高。在t2

温度，熔体结构发生明显变化，这与熔体碳化物的破坏有密切关系。这种熔体的结构、表面张力随热历史的变化可简要的用图1.3表示。图1.4为铸铁熔体加热温度与石墨形态的关系。结合图1.4和图1.3可以看出：温度超过t2时，铸铁熔体具有较强的脱碳作用，这就是熔炼温度与石墨形态的关系以及铸铁遗传性的实质。1．3铝基合金的液体结构对固体组织的遗传作用图1.5给出了A1—Si、A1一Ce、A1—Mn、A1—Sn合金二元状态图上胶状粒子的亚稳定温度范围。研究发现，当合金加热到图中虚线温度以上时，在相同的凝固条件下，固体组织发生明显变化。l.4Pb—Sb合金液相转变对固体组织的遗传作用常见的合金状态图中，液相线上方无任何定义的线段。通过大量的差热分析及电阻率测试发现，二元Pb—Sb合金状态图液相线上方有两条未定义的曲线(图1.6)。研究者们称这两条曲线间的区域为“异常区”。合金熔体加热至该异常区温度范围内，存在热效应及电阻率的突变；过共晶Pb—Sb合金中初晶Sb明显细化，抗拉强度提高20％以上。1．5Sn—Pb合金熔体中的微观不均匀现象金属的遗传性不仅与金属中的非金属夹杂物、气体和其他金属间化合物在熔炼过程中的不可逆变化有关，而且更重要的是取决于金属熔体结构的不可逆变化。将合金加热到某一临界温度以上的过热会带来熔体结构的不可逆变化，这种变化在绝大多数情况下对铸件或铸锭的组织产生有利影响。二、金属遗传性的物理化学基础金属的遗传性是铸造过程中普遍存在的客观规律。在从金属炉料到铸件或铸锭产品的整个铸造加工过程中，根据人们对金属组织遗传性问题的综合研究结果，可把铸造过程中的遗传性通过这样一条相互联系的链来表示，如图2．1所示。金属的遗传性是一个有机的整体，通常可以化分为三个阶段：遗传信息的储存，遗传信息的传递和遗传信息的表现。2．1元素的性质和浓度对合金性能的遗传影响2．2一些元素的浓度对合全性能的遗传影响2．3遗传性的热力学分析2.4金属遗传机制研究三、炉料组织遗传的工艺条件

铸件和铸锭是金属炉料和合金经历了一个物理化学过程后的产品。在熔炼工艺过程中，金属炉料、熔体与炉衬、坩埚与炉内气氛、起精炼和变质处理作用的各种添加剂、铸造和结晶条件等，都会对金属遗传件产生较大的影响。主要影响条件3.1炉料储存时间3.2熔化速度3.3熔体保温温度及时间3.4浇注和结晶条件3.5炉料加入顺序四、AlTiB中间合金的遗传性

AlTiB中间合金是—种用于微细化铝及其合金组织、改善其加工工艺性能，提高铝制品质量的持殊炉料；出于A1TiB中间合金组织形态不同，在加入Ti、B量相同的情况下，对铝及其合金的组织结构产生明显的遗传效应；另外，该中间合金在制备过程中，组织形成也与金属的遗传性有关。4.1熔炼条件对AlTiB中间合金组织的遗传影响4.2原料与AlTiB中间合金组织间遗传规律的研究4.3AlTiB中间合金组织的遗传与变异及变形处理4.3AlTiB中间合金组织的遗传与变异及变形处理4.4AlTiB中间合金细化效果的组织遗传效应TiAl3化合物是A1Ti中间合金中的主要形核相，也是A1TiB中间合金中的重要形核相。因此，A1Ti(B)中间合金中的TiAl3化合物形态和分布将对铝合金的组织产生强烈的遗传效应。为便于分析，首先从简单的A1Ti中间合金开始分析。五、铝合金变质过程的组织遗传效应A1TiB中间合金作为铝及其合金用晶粒细化剂，主要起细化作用的是该合金中TiB2、TiAl3、A1B2等晶体颗粒。细化作用的实质是影响金属的形核过程。它们在中间合金中所处的形态、大小、分布及其能量和表面状态对所处理的合金有直接的遗传效应。5.1A1Sr中间合金变形组织的遗传效应

图5.1(a)为Al—5％Sr中间合金锭料SFM照片，图中所示的板片状化合物是A14Sr相，基体上细小的条状簇为共晶相(A1+A14Sr)。图5.1(b)是这种合金经锻压变形处理后的SEM照片。经变形处理后，板条状A14Sr相被打碎成块状或粒状，且分布比较均匀。图5.3a为共晶Al—12.1％Si合金未变质的金相组织，b，c分别为加入含锶量为0.1％的锭料，和加入含锶量0.05％的变形处理后中间合金的A1—12.1％Si金相组织SEM照片。对比图5.3b、c可以看出，Al—12.1％Si共晶合金加入含锶量为0.06％变形处理的中间合金的变质效果，明显要比加入末变形处理含锶量为0.1％的变质效果好，珊瑚状共晶硅枝细而弯曲且分枝多。5．2A1Sr中间合金激冷组织的遗传效应六、铸造缺陷的遗传性6.1铝硅合金中气孔的遗传性6．2铸铁缩松的遗传性七、液态金属的热速处理理论及其应用

所谓液态金属的热速处理(在俄文文献中称TCO或TBO)，就是在金属或合金熔炼时，把液体过热到液相线以上一定温度(通常是液相线以上250一350℃)，然后再迅速冷却到浇注温度进行浇注的铸造工艺。其目的是为了充分发挥材料的潜力，提高金属或合金产品的性能，显著改善铸锭和铸件的质量。7.1热速处理的理论依据1.金属或合金由固态向液态的转变，不会引起近程有序结构的重新组合。

2．液态金属的结构是微观不均匀的，它是由成分和结构不同的游动的原子集团与它们之间的各种组元原子呈紊乱分布的无序带所组成。在集团内部，原子的排列和组合与原有的固体相似。3．在液态金属及其合金中，如同固体中相类似，存在着同素异构的结构转变。4.尽管金属熔体中的许多动力学过程和扩散过程有较大的进行速度，但在它们中发生的结构转变速度与其相比是相当低的。5．在固(原始炉料)一液(熔体)一固(固体金属)之间存在着不可忽视的遗传联系。6．在制订金属和合金的熔炼工艺时，确定过程进行的最合适的温度具有重要意义。7．2液体金属热速处理的工艺条件7.3热速处理在有色合金熔制中的应用7.4热速处理工艺在其它合金材料中的应用7.4.1铸铁材料

7.4.2镍基耐热合金对镍基耐热合金熔体结构和物性的实验研究，也证实了凝固前熔体中存在着不平衡性，镍基合金的电阻率和表面张力与温度的关系曲线有类似